CN113925007B - 基于配重及缆索分布评价的重力式网箱设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于配重及缆索分布评价的重力式网箱设计方法，属于深海重力式网箱设计领域，该方法涉及了网箱的容积损失、缆索的最大张力、浮圈的运动与变形，考虑了重力式网箱各部分之间的相互影响关系，用于评价网箱底部配重与缆索分布形式对网箱抗浪流能力的影响，技术方案为：包括以下步骤：建立具有不同配重和不同缆索分布的网箱的多个数值模型；基于冷水团海况，建立浪流模型，获取网箱各部分的变形、受力与位移；分析不同配重情况下网箱的容积损失率和浮圈运动情况；分析不同缆索分布形态下，洋流速度和方向变化对缆索最大张力的影响；得出网箱的配重和缆索分布形态的最优设计方案。

Description

基于配重及缆索分布评价的重力式网箱设计方法

技术领域

本发明涉及深海重力式网箱设计领域，特别是涉及基于配重及缆索分布评价的重力式网箱设计方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

养殖网箱的水动力学响应是水产养殖网箱发展的关键问题。目前，近海养殖的密度普遍高于海域的环境容量，造成了水流不连续、水体交叉污染等问题。因此，全球水产养殖业有向深远海转移的趋势。深海养殖面临着更为严峻的海况条件，这就要求深海网箱具有更强的抗浪流能力。这增加了深海重力式网箱设计的难度与成本。针对这一问题，众多学者对重力式网箱各部分的水动力学响应进行了研究，包括浮架系统、网衣系统、配重系统以及系泊缆索系统。其中，浮架系统主要为重力式网箱提供浮力并支持网衣的形状，一般采用高密度聚乙烯(HDPE)制成；网衣系统主要连接浮架系统与配重系统，限定养殖鱼类的活动范围；配重系统主要依靠自身重力张紧网衣，用于保持网箱的体积；系泊缆索系统主要用于限制网箱的移动，一旦由于缆索张力过大造成缆索的断裂，可能会造成网箱的丢失。

发明人发现，目前的研究仅针对于网箱的单一部分，比如在研究网箱的容积损失时，浮架系统被固定，但实际上浮架系统会因为浪流载荷的影响发生位移与变形，也会对网箱的容积损失造成影响。在实际情况中，网箱各部分之间会相互影响，针对于网箱单一部分研究所得结果准确性较低，不能很好的用于深海重力式网箱的设计。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于配重及缆索分布评价的重力式网箱设计方法，该方法涉及了网箱的容积损失、缆索的最大张力、浮圈的运动与变形，考虑了重力式网箱各部分之间的相互影响关系，可以评价网箱底部配重与缆索分布形式对网箱抗浪流能力的影响，进而提出网箱的设计方案，解决了仅针对网箱单一部分导致研究结果准确性较低，无法用于网箱设计的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提出一种基于配重及缆索分布评价的重力式网箱设计方法，包括以下步骤：

建立具有不同配重和不同缆索分布的网箱的多个数值模型；

基于冷水团海况，建立浪流模型，获取网箱各部分的变形、受力与位移；

分析不同配重情况下网箱的容积损失率和浮圈运动情况；

分析不同缆索分布形态下，洋流速度和方向变化对缆索最大张力的影响；

得出网箱的配重和缆索分布形态的最优设计方案。

作为进一步的技术方案，网箱的数值模型的建立过程为：

简化浮架系统，对其建模；在浮架系统底部搭建网衣系统；在浮架系统侧部搭建三次样条集中质量有限元系泊缆索模型，而后在整个模型底部建立配重系统。

作为进一步的技术方案，浮架系统简化时，将双排浮圈简化为单排浮圈，并以双排浮圈的尺寸计算简化浮架系统的截面面积、转动惯量和极转动惯量。

作为进一步的技术方案，缆索分布的形式包括米字型缆索分布与井字型缆索分布。

作为进一步的技术方案，配重系统与网衣系统相连，与浮架系统共同维持网箱的体积，并由网箱在静水中的运动方程选取配重系统重量。

作为进一步的技术方案，在分析容积损失率时，改变流速，分析流速与配重系统对容积损失率的影响。

作为进一步的技术方案，在分析浮圈运动情况时，当网箱达到平衡位置时，获取浮圈中心的位移和倾斜度。

作为进一步的技术方案，对不同缆索分布形态进行分析时，首先保证洋流流速不变，分析不同缆索分布形态在洋流方向变化时对缆索最大张力和浮圈运动的影响；然后分析不同缆索分布形态在洋流速度变化时对缆索最大张力和浮圈运动的影响。

作为进一步的技术方案，在浪流模型基础上，建立规则波模型，分析缆索分布形态对波浪荷载阻力的影响。

作为进一步的技术方案，模拟过程中，改变波浪的浪高与周期，获取不同缆索分布形态下浮圈的变形情况。

上述本发明的有益效果如下：

(1)本发明综合考虑网箱的容积损失、缆索的最大张力、浮圈的运动与变形之间的相互影响，不再仅仅针对于网箱的单一部分，提高了分析结果的准确性，并能基于分析结果得出的网箱的配重和缆索分布形态的设计方案。

(2)本发明设计过程中，浮圈可以运动以及变形，由浮圈运动变形而引起的网箱容积变形将不再忽略，使得评价过程更加贴合于实际情况，使得容积损失率的计算更加准确，进一步提高了评价结果的准确性。

(3)本发明利用ProteusDS搭建三次样条集中质量有限元系泊缆索模型，与典型的线性单元相比，此模型可选取更长的单元长度，可允许更大的数值时间步长和更少的计算，大幅度提高模拟运算速度，获取更精确的结果。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的分析方法流程示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的双排浮圈示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的浮架系统最终简化为单排浮圈的示意图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的网衣系统网孔结构示意图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的米字型缆索分布示意图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的井字型缆索分布示意图；

图7是本发明根据一个或多个实施方式的深海重力式网箱结构示意图；

图8是本发明根据一个或多个实施方式的带有米字型缆索分布重力式网箱配重的node点示意图；

图9是本发明根据一个或多个实施方式的带有米字型缆索分布重力式网箱缆索的node点示意图；

图10是本发明根据一个或多个实施方式的带有井字型缆索分布的重力式网箱模型示意图；

图11是本发明根据一个或多个实施方式的带有米字型缆索分布的重力式网箱模型示意图；

图12是本发明根据一个或多个实施方式的网箱体积划分示意图；

图13是本发明根据一个或多个实施方式的数值模型仿真结果体积变化示意图；

图14是本发明根据一个或多个实施方式的Cvr-v示意图；

图15是本发明根据一个或多个实施方式的浮圈一侧下沉网箱致使网箱满溢示意图；

图16是本发明根据一个或多个实施方式的不同缆索分布情况下F_max-v示意图；

图17是本发明根据一个或多个实施方式的不同缆索分布情况下F_max-a示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1、浮架系统；2、网衣系统；3、系泊缆索系统；4、配重系统。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

正如背景技术所介绍的，目前的研究仅针对于网箱的单一部分，忽略了网箱各部分之间的相互影响关系，导致研究所得结果准确性较低，不能很好的用于深海重力式网箱的设计，为了解决上面所述的技术问题，本发明提出了一种基于配重及缆索分布评价的重力式网箱设计方法。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图16所示，提出一种基于配重及缆索分布评价的重力式网箱设计方法。

本实施例以某海域为研究背景，根据该海域冷水团(经纬35°30′～36°45′n，124°E)的海况信息设置浪流模型；因深海重力式网箱的抗浪流能力主要与网箱底部配重和缆索分布有关，因此建立三种不同底部配重和两种不同缆索分布的重力网箱模型，并采用ProteusDS进行仿真分析，研究了不同配重情况下流速变化时网箱容积损失和浮圈运动情况；通过改变洋流的流速和方向，得到了不同缆索分布形态下缆索的最大张力；通过改变波浪的浪高与周期，获得了不同缆索分布情况下浮圈的变形情况，为深水重力网箱的设计提供了参考。

该方法步骤包括以下步骤：

依据实际深海重力式网箱的尺寸，整体规划养殖网箱的尺寸；

建立养殖网箱的数值模型，包括网箱的浮架系统1，网衣系统2，配重系统4以及系泊缆索系统3。

其中，为简化模型，减小计算量，在网箱的数值模型中将实际的浮架系统1简化为一空心单排浮圈，并以实际双排浮圈的尺寸计算简化浮架系统1的截面面积、转动惯量和极转动惯量。

网衣系统2选取4×4cm的方形网孔，选取网衣的材料与密度；选取两种不同的系泊缆索分布形式，米字型缆索分布与井字型缆索分布。

利用ProteusDS搭建三次样条集中质量有限元系泊缆索模型，用于对照缆索分布形式对网箱水动力学响应的影响。

依照网箱在静水中的重力平衡，选定三种不同的配重系统，用于探究网箱底部配重对重力式网箱水动力学响应的影响。

基于有限水深线性波理论，以及冷水团的海况，建立浪流模型，获取重力式网箱各部分的变形、受力与位移。

基于分析流程图与评价体系，获取数值模型仿真后的结果，进行分析，验证评价体系的可行性；

并且基于分析结果得出网箱的配重和缆索分布形态的最优设计方案。

该方法具体流程如下：

1.实际浮架系统模型的简化；

浮架系统1一般由高密度聚乙烯(HDPE)制成，为网箱提供向上的浮力，承受波浪与水流载荷，并保持网箱的形态。由于浮架系统1中的扶手以及各种浮动附件结构与形状较为复杂，对整体浮架系统1受力影响较小，因此忽略上部立管与扶手，只考虑双排浮圈的影响，如图2所示。为了进一步简化模型，在建模过程中，将双排浮圈进一步简化为单排浮圈，如图3所示。

为保证仿真结果的准确性，以双排浮圈的形式计算了最终简化浮架系统1的截面面积、转动惯量和极转动惯量，在计算平面转动惯量时，不考虑双排浮圈之间的连接部件，因为对于这种复杂的断面形式，可以用现成的数据来检验其截面特征，为简化计算，可将其忽略，双排浮圈以及最终简化后的单排浮圈的各种建模参数如表1所示。

表1浮架系统的建模参数

2.网衣系统的搭建；

网衣系统2连接浮架系统与配重系统，主要用于限制鱼类的活动范围。本实施例中，确定圆柱形深海重力式网箱的半径为15m，高度为15m，采用了4×4cm的方形网孔，如图4所示，网线采用尼龙制成，密度为1150kg/m³，网线直径为0.002m。

3.利用ProteusDS搭建三次样条集中质量有限元系泊缆索模型；

为了研究缆索分布对网箱抗浪流能力的影响，选择两种最常用的锚链分布形式，米字型缆索分布与井字型缆索分布，如图5与图6所示。

选取系泊缆索的长度为水深的2.5倍，缆索的公称密度为7800kg/m³，缆索为三次样条集中质量有限元模型，与传统的线性单元相比，此模型可选取更长的单元长度，可允许更大的数值时间步长和更少的计算，大幅度提高模拟运算速度，获取更精确的结果，在模拟过程中，忽略线本身的扭转质量惯性，从而减少了由较小的数值积分时间步长和较慢的执行速度引起的高频扭转动力学噪声。

4.配重系统数值模型的建立；

如图7所示，配重系统4位于整个重力式网箱的底部，与网衣系统2相连，与浮架系统1共同维持重力式网箱的体积，网箱在静水中的运动方程如式(1)与式(2)所示。

竖直方向：

水平方向：

其中F_P表示浮架系统的净浮力，θ_i表示网箱与缆索的夹角，i为缆索的编号，表示第几条缆索，F_i表示第i根缆索的张力，m₁表示网衣系统2的重力(已减去自身浮力)，m₂为配重系统4的自重(已减去自身浮力)。

利用式(1)与式(2)进行大体估算，选取三种不同网箱底部配重，70kg×32、80kg×32、90kg×32，用于研究网箱底部配重对网箱容积损失以及浮圈运动的影响，由于缆索的分布对网箱的容积损失没有显著的影响，因此选取缆索分布形式为米字型布局，整理上述参数建立三组网箱模型，参数如表2所示。

表2网箱模型的参数

依据上述参数所搭建模型外观图如图8与图9所示。

5.基于有限水深线性波理论以及冷水团海况建立浪流模型；

依照黄海冷水团的海况设定模拟水深为20m，选取洋流速度变化范围为0-0.4m/s，在探究网箱底部配重影响对深海重力式网箱抗浪流能力的影响时，对A、B、C三组不同网箱底部配重数值模型，每组均设定五种不同的洋流流速：0m/s、0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s，a表示洋流方向与X轴的夹角，如图5所示，海况数值模型信息如表3所示。

表3不同网箱底部配重下海况数值模型

在探究缆索分布形式对重力式网箱水动力学响应的影响时，网箱的尺寸参数与表2相同，网箱底部配重选取为80kg×32。

首先保证洋流流速不变，探究不同缆索分布形式在洋流方向变化时对锚链最大张力和浮圈运动的影响，此时洋流流速均设定为0.4m/s,仅改变洋流的入射方向，即a的值，由于米字型分布的缆索在结构上具有对称性，洋流方向在0-22.5°内变化时对重力式网箱水动力学响应的影响与洋流方向在22.5-45°内变化时相同，因此米字型缆索对应的洋流变化范围仅设定为0-25°，井字型缆索对应的洋流变化范围设定为0-45°，每种缆索分布形式对应六种不同的洋流方向，如表4所示。

然后探究不同缆索分布形式在洋流速度变化时对缆索最大张力和浮圈运动的影响，此时保证洋流方向不变仅改变流速，如表5所示。

表4不同缆索分布下洋流方向的数值模型参数

表5不同缆索分布下洋流流速的数值模型参数

模型的外观图如图10与图11所示。

在上述海况数值模型的建立中只考虑了洋流，并未考虑波浪的影响，为探究缆索分布形式对波浪荷载阻力的影响，基于有限水深线性波理论建立了规则波模型，波高H分别为0.5m、1.5m、3m、4m，分别对应微浪、中浪、大浪、极浪4种海况，波浪周期均为6s，如表6所示；网箱的参数表2相同，洋流流速均为0.4m/s，流向为X轴正方向，为了探究波浪周期的影响，另外设置了8组仿真，如表7所示，仿真后得到不同缆索分布形态下浮圈的变形情况。

表6不同缆索分布下波浪浪高数值模型参数

表7不同缆索分布下波浪周期数值模型参数

6.模拟结果的分析；

基于分析流程图与评价体系，获取数值模型仿真后的结果，进行分析，验证评价体系的可行性。

6.1在不同配重下网箱的水动力学响应；

在表2与表3描述的模型中，为衡量网箱的变形，引入了容积损失率的概念，如图12所示，在网箱上设置15个点，用6个棱柱代表网箱体积的一半，容积损失率可表示如式(3)所示：

其中V_p为六个棱镜变形后的体积，V_p0为六个棱镜变形前的体积，V_p的计算公式由式(4)给出。

式中，A_nm，np，nq表示由nm、np、nq标记点所构成的三角形的面积，Z_nm为标记点nm的Z轴坐标；在模拟过程中，改变洋流流速，对不同流速下网箱容积损失进行分析；仿真结束后，参照式(3)和式(4)，利用MATLAB计算网箱的容积损失率，结果如图13与图14所示。

由图13与图14分析后，可得到以下结论：

1)增加底部配重有助于保持网箱的几何形状。当洋流流速小于0.2m/s时，三组不同底部配重网箱模型的容积损失率差异最大仅为0.9％，但随着流速的增加，容积损失率的差值逐渐增大，达到3.48％。

2)一般情况下，当Cvr大于0.75时，可以认为网箱的容积损失较小。从图14可以看出，B组和C组网箱模型均满足要求，应选用80kg×32的配重(B组)，因为在满足体积损失率的前提下，配重的过度增加会增加电缆的最大拉力。对于B组和C组，缆索张力增加了142N，这不仅会导致缆索使用寿命缩短，还可能使浮圈一侧下沉，如图15所示。

3)随着洋流流速的增加，网箱体积变形速度逐渐增大。以A组网箱模型为例，当洋流流速从0.1m/s变化到0.4m/s时，Cvr-v图像的斜率变化为初始图像的1.9倍，配重越小，这种现象越明显。

4)在以往研究中，浮架系统被固定，网箱容积的变形小于实际情况，而本实施例中的浮圈具有运动和变形能力，使所得网箱容积损失结果更加准确。

在洋流的作用下，当网箱达到平衡位置时，浮圈相对于原始位置发生了移动，浮圈中心在X、Y、Z轴方向的位移分别为X_hoop,Y_hoop,和Z_hoop，θ表示浮圈在洋流作用下的倾斜度，它们分别表示为：

其中X_i,Y_i和Z_i为图3中点i的X、Y、Z轴坐标，式(5)-式(9)用于计算浮圈的位移与倾角，结果如表8所示。

表8浮圈的位移与倾角

由表8可知：

1)随着流速的增加，X_hoop增量约0.7m,Z_hoop和θ_y也逐渐增大；而Z_hoop的增量小于0.05m，这是因为在海况模型中，当前洋流流速较低，网箱下沉不明显；

2)当洋流流速从0.1m/s到0.4m/s时，X_hoop增量约0.7m，当配重从70kg到90kg时，X_hoop增量小于0.06m，洋流流速对X_hoop的影响大约是配重的10倍。

6.2不同缆索分布下网箱的水动力学响应；

F_max为网箱达到平衡状态时系泊缆索的最大张拉值，根据表4和表5的模型，可以得到不同分布形态的缆索在洋流速度和方向变化时的缆索最大张力值的变化，如图16与图17所示。

1)当洋流流速增加时，米字型分布缆索的最大张力增速快于井字型分布的缆索。从0.2m/s开始，米字型分布缆索的张力大于井字型分布缆索的张力；当洋流流速为0.4m/s时，两种不同缆索分布之间的缆索最大张力值之差为1004N；

2)井字型分布缆索最大张力随洋流方向(0-45°)逐渐减小，最大差值约为2241N；

3)井字型分布缆索受洋流方向影响的最大张力值的变化范围为2241N，而米字型分布缆索的最大张力值的变化范围为386N，井字型分布缆索受洋流方向影响的最大张力变化范围为米字型分布缆索的5.8倍，对于洋流方向变化频繁的海域，采用米字型缆索分布更为合理。否则应选取井字型缆索分布

通过以上分析，得出网箱的配重和缆索分布形态的最优设计方案，即尽可能的减小网箱的变形以及浮圈的运动与变形，并保证缆索张力较小，不会发生过大变化，以免造成缆索发生疲劳破坏，从而更好的适应深海海域洋流变化。

参照上述结论，新的深海重力式网箱水动力学响应评价体系的建立解决了以往仅针对于网箱单一部分研究的问题，考虑到了网箱各部分之间的相互影响，利用ProteusDS搭建的三次样条集中质量有限元系泊锚链模型，也使得可选取更大的数值时间步长和更少的计算，大幅度提高了模拟运算速度，可获得更精确的结果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于配重及缆索分布评价的重力式网箱设计方法，其特征是，包括以下步骤：

建立具有不同配重和不同缆索分布的网箱的多个数值模型；

网箱的数值模型的建立过程为：

简化浮架系统，对其建模；在浮架系统底部搭建网衣系统；在浮架系统侧部搭建三次样条集中质量有限元系泊缆索模型，而后在整个模型底部建立配重系统；

浮架系统简化时，将双排浮圈简化为单排浮圈，并以双排浮圈的尺寸计算简化浮架系统的截面面积、转动惯量和极转动惯量；配重系统与网衣系统相连，与浮架系统共同维持网箱的体积，并由网箱在静水中的运动方程选取配重系统重量；

基于冷水团海况建立浪流模型，获取网箱各部分的变形、受力与位移；

分析不同配重情况下网箱的容积损失率和浮圈运动情况；在分析浮圈运动情况时，当网箱达到平衡位置时，获取浮圈中心的位移和倾斜度；

分析不同缆索分布形态下，洋流速度和方向变化对缆索最大张力的影响；

基于有限水深线性波理论建立了规则波模型，得到不同缆索分布形态下浮圈的变形情况；

得出网箱的配重和缆索分布形态的最优设计方案。

2.如权利要求1所述的基于配重及缆索分布评价的重力式网箱设计方法，其特征是，缆索分布的形式包括米字型缆索分布与井字型缆索分布。

3.如权利要求1所述的基于配重及缆索分布评价的重力式网箱设计方法，其特征是，在分析容积损失率时，改变流速，分析流速与配重系统对容积损失率的影响。

4.如权利要求1所述的基于配重及缆索分布评价的重力式网箱设计方法，其特征是，对不同缆索分布形态进行分析时，首先保证洋流流速不变，分析不同缆索分布形态在洋流方向变化时对缆索最大张力和浮圈运动的影响；然后分析不同缆索分布形态在洋流速度变化时对缆索最大张力和浮圈运动的影响。

5.如权利要求1所述的基于配重及缆索分布评价的重力式网箱设计方法，其特征是，在浪流模型基础上，建立规则波模型，分析缆索分布形态对波浪荷载阻力的影响。

6.如权利要求5所述的基于配重及缆索分布评价的重力式网箱设计方法，其特征是，模拟过程中，改变波浪的浪高与周期，获取不同缆索分布形态下浮圈的变形情况。